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Die Erfindung betrifft einen Stromsensor, insbesondere für eine Fahrzeugbatterie in einem Fahrzeug, mit einem elektrischen Leiter, wobei der elektrische Leiter einen ersten Leitungsabschnitt, einen zweiten Leitungsabschnitt sowie einen zwischen dem ersten Leitungsabschnitt und dem zweiten Leitungsabschnitt angeordneten Messwiderstand aufweist, sowie mit einem Schaltungsträger, der mit dem elektrischen Leiter kontaktiert ist und auf dem eine Messschaltung zur Erfassung zumindest eines Batterieparameters, insbesondere der Stromstärke und/oder der Spannung des durch den elektrischen Leiter fließenden Strom, angeordnet ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Stromsensoren zur Erfassung von Batterieparameter, beispielsweise einer Batteriespannung, eines Batteriestrom oder einer Batterietemperatur, bekannt. Zur Bestimmung des Batteriestroms ist beispielsweise ein Messwiderstand vorgesehen, der in Reihe mit den Verbrauchern im Stromkreis zwischen den Batteriepolen der Fahrzeugbatterie angeordnet wird. Der Messwiderstand hat einen bekannten elektrischen Widerstand. Durch die Messung eines Spannungsabfalls über den Messwiderstand kann über das Ohm'sche Gesetz der über den Messwiderstand fließende Strom bestimmt werden.
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Die Messschaltungen und Steuerschaltungen für den Stromsensor sind auf einem Schaltungsträger, insbesondere einer Leiterplatte, angeordnet. Der Stromsensor, insbesondere die Leiterplatte, soll möglichst kompakt ausgebildet sein, beispielsweise, um den Stromsensor in einer Polnische einer Fahrzeugbatterie positionieren zu können. Zudem ist es gewünscht, die Messchaltungen bzw. Messelemente, die auf dem Schaltungsträger vorgesehen sind, möglichst nah am elektrischen Leiter zu positionieren, um die Erfassung der Messwerte mit den Messschaltungen bzw. Messelementen zu verbessern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromsensor bereitzustellen, der einen kompakten Aufbau aufweist und eine verbesserte Erfassung von Messwerten des elektrischen Leiters ermöglicht.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Stromsensor vorgesehen, insbesondere für eine Fahrzeugbatterie in einem Fahrzeug, mit einem elektrischen Leiter, wobei der elektrische Leiter einen ersten Leitungsabschnitt, einen zweiten Leitungsabschnitt sowie einen zwischen dem ersten Leitungsabschnitt und dem zweiten Leitungsabschnitt angeordneten Messwiderstand aufweist, sowie mit einem Schaltungsträger, der mit dem elektrischen Leiter kontaktiert ist und auf dem eine Messschaltung zur Erfassung zumindest eines Batterieparameters, insbesondere der Stromstärke und/oder der Spannung des durch den elektrischen Leiter fließenden Strom, angeordnet ist. Der Schaltungsträger weist zumindest einen von zumindest einer Oberfläche der Leiterplatte zurückversetzten Aufnahmeraum auf, in dem zumindest ein elektrisches Bauteil oder eine elektrische Baugruppe angeordnet ist.
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Üblicherweise sind die elektrischen Bauteile und/oder die elektrischen Baugruppen auf der Oberfläche des Schaltungsträgers angeordnet. Die Anordnung von elektrischen Bauteilen oder elektrischen Baugruppen innerhalb eines Aufnahmeraums im Schaltungsträger bietet den Vorteil, dass eine flexiblere Anordnung der elektrischen Bauteile und/oder elektrischen Baugruppen möglich ist. Insbesondere können diese beispielsweise in mehreren Lagen auf dem Schaltungsträger aufgebracht werden, wodurch eine kompaktere Anordnung der elektrischen Bauteile und/oder Baugruppen möglich ist. Insbesondere können verschiedene elektrische Baugruppen in verschiedenen Ebenen bzw. Lagen des Schaltungsträgers angeordnet sein, sodass diese sehr kompakt aber voneinander getrennt angeordnet sind.
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Bei einigen elektrischen Bauteilen oder Baugruppen ist es erwünscht, dass diese näher am elektrischen Leiter oder einer anderen Komponente des Stromsensors angeordnet sind. Beispielsweise soll ein Temperatursensor oder eine Temperaturmessschaltung möglichst nah am elektrischen Leiter angeordnet sein, um die Temperatur des elektrischen Leiters möglichst genau erfassen zu können. Ein solcher Temperatursensor kann beispielsweise benötigt werden, um die Temperatur des elektrischen Leiters zu erfassen. Insbesondere bei Stromsensoren mit einem Messwiderstand ist es erforderlich, die Temperatur des Messwiderstandes bzw. des elektrischen Leiters möglichst genau zu erfassen, um temperaturbedingte Änderungen des elektrischen Widerstandes des Messwiderstandes bzw. des elektrischen Leiters bei der Messung des durch den elektrischen Leiter fließenden Stroms berücksichtigen zu können.
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Üblicherweise ist der Temperatursensor oder die Temperaturmessschaltung auf der dem elektrischen Leiter abgewandten Oberseite des Schaltungsträgers angeordnet und gegebenenfalls mit thermisch leitenden Elementen mit dem elektrischen Leiter verbunden. Dadurch ist der Temperatursensor aber sehr weit vom elektrischen Leiter entfernt und kann teilweise nur zeitlich verzögert auf schnelle Temperaturänderungen reagieren. Ein Temperatursensor bzw. eine Temperaturmessschaltung kann schneller auf Temperaturänderungen reagieren, wenn dieser möglichst nah am elektrischen Leiter angeordnet ist. Die Anordnung des Temperatursensors bzw. der Temperaturmessschaltung in einem Bauraum, der in Richtung des elektrischen Leiters versetzt von der Oberfläche des Schaltungsträgers vorgesehen ist, bietet die Möglichkeit, den Temperatursensor bzw. die Temperaturmessschaltung sehr nah am elektrischen Leiter zu positionieren.
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Der Aufnahmeraum kann geschlossen sein, insbesondere zur Oberseite und/oder zur Unterseite geschlossen sein. Die geschlossene Ausführung des Aufnahmeraums hat mehrere Vorteile. Zum einen sind die innerhalb des Aufnahmeraums liegenden elektrischen Bauteile und/oder Baugruppen geschützt. Des Weiteren ist das Material der Leiterplatte üblicherweise elektrisch isolierend, sodass die innerhalb des Aufnahmeraums angeordneten Bauteile und/oder Baugruppen gegenüber anderen elektrischen Bauteilen und/oder Baugruppen, die beispielsweise auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers oder in einem anderen Aufnahmeraum angeordnet sind, elektrisch isoliert sind. Dadurch lassen sich mehrere voneinander isolierte elektrische Bauteile und/oder Baugruppen auf einem Schaltungsträger anordnen, wobei die Isolierung auf einfache Weise durch den Schaltungsträger selbst erfolgt.
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Optional kann der Aufnahmeraum auch zur Oberseite und/oder zur Unterseite geöffnet sein, beispielsweise um die Montage oder eine Kontaktierung der elektrischen Bauteile und/oder Baugruppen zu erleichtern. Beispielsweise kann der Aufnahmeraum zu einer Oberseite und/oder Unterseite, auf der elektrische Bauteile angeordnet sind, zu der eine Trennung und/oder eine elektrische Isolierung gewünscht sind, geschlossen sein, und zu einer gegenüberliegenden Unterseite und/oder Oberseite geöffnet sein.
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Insbesondere kann der Aufnahmeraum zu Oberseite und/oder zur Unterseite elektrisch isoliert sein, insbesondere galvanisch getrennt sein.
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Das Bauteil oder die Baugruppe ist beispielsweise ein Temperatursensor, insbesondere zur Erfassung einer Temperatur des elektrischen Leiters. Insbesondere kann der Aufnahmeraum so ausgebildet sein, dass der Temperatursensor möglichst nah am elektrischen Leiter angeordnet ist aber elektrisch zu diesem isoliert ist.
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Vorzugsweise kann der Temperatursensor mit einem wärmeleitenden Bauteil verbunden und/oder thermisch gekoppelt sein, um eine bessere Wärmekopplung mit dem elektrischen Leiter, insbesondere dem Messwiderstand, zu erhalten. Beispielsweise ist das wärmeleitende Bauteil innerhalb des Schaltungsträgers vorgesehen und/oder in diesen eingelassen.
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Die Form und die Anordnung des Wärmeleitelements innerhalb der Leiterplatte kann so gewählt sein, dass eine möglichst gute Wärmekopplung des Temperatursensors mit dem elektrischen Leiter erzielt werden kann. Insbesondere kann sich das Wärmeleitelement innerhalb der Leiterplatte zum elektrischen Leiter hin und/oder parallel zu diesem erstrecken.
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Um eine noch bessere Temperaturkopplung zwischen dem elektrischen Leiter und der Leiterplatte zu erzielen, kann zwischen dem elektrischen Leiter und der Leiterplatte, insbesondere im Bereich des Temperatursensors und/oder des Wärmeleitelements, ein wärmeleitendes und elektrisch isolierendes Material vorgesehen sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Stromsensors;
- 2 eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors;
- 3 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors;
- 4 eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors;
- 5 eine Schnittansicht durch eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors; und
- 6 Schnittansicht durch eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromsensors.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Stromsensors 10 gezeigt. Der Stromsensor 10 ist in einem Stromkreis 12 eines Fahrzeugs angeordnet und kann verschiedene Batterieparameter, beispielsweise einen Batteriestrom oder eine Batteriespannung erfassen. Der Stromsensor hat einen elektrischen Leiter 14 mit einem ersten Leitungsabschnitt 16 und einem zweiten Leitungsabschnitt 18 zur Kontaktierung mit dem Stromkreis 12. Zwischen dem ersten Leitungsabschnitt 16 und dem zweiten Leitungsabschnitt 18 ist ein Messwiderstand 20 vorgesehen. Der Messwiderstand 20 besteht beispielsweise aus einem Material, das einen niedrigen Temperaturkoeffizienten aufweist, also eine geringe Änderung des elektrischen Widerstandes bei einer Temperaturänderung, beispielsweise einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung.
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Auf dem ersten Leitungsabschnitt 16 ist ein erster Kontakt 22 vorgesehen, auf dem zweiten Leitungsabschnitt 18 ist ein zweiter Kontakt 24 vorgesehen. Der Stromsensor 10 weist einen Schaltungsträger 26 auf, auf dem eine Messschaltung 28 vorgesehen ist, die mit dem ersten Kontakt 22 und dem zweiten Kontakt 24 elektrisch verbunden ist. Die Messschaltung 28 ist mit einer Steuerung 30 verbunden, die mit einer Fahrzeugsteuerung verbunden sein kann.
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Die Messschaltung 28 kann die Spannungspotenziale an den Kontakten 22, 24 bzw. eine Spannungsdifferenz zwischen den Kontakten 22, 24 erfassen. Aus der Spannungsdifferenz sowie dem bekannten elektrischen Widerstand des Messwiderstandes 20 kann in der Steuerung 30 über das Ohm'sche Gesetz der über den elektrischen Leiter 14 also der durch den Stromkreis 12, fließende Strom berechnet werden.
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Der Stromsensor 10 weist des Weiteren einen Temperatursensor 32 auf, der mit der Steuerung 30 verbunden ist. Der Temperatursensor 32 kann die Temperatur des elektrischen Leiters 14, insbesondere des Messwiderstandes 20 erfassen. Der elektrische Widerstand des elektrischen Leiters 14, insbesondere des Messwiderstandes 20, ist unter anderem temperaturabhängig. Für eine möglichst genaue Strommessung ist die Kenntnis des genauen elektrischen Widerstandes des Messwiderstandes 20 erforderlich. Um den elektrischen Widerstand des Messwiderstandes 20 möglichst genau bestimmen zu können, wird die Temperatur des Messwiderstandes 20 erfasst und ein in der Steuerung 30 gespeicherter elektrischer Widerstand des Messwiderstandes 20 in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur des Messwiderstandes 20 angepasst oder korrigiert.
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Üblicherweise ist der Temperatursensor 32 mit der Messschaltung 28 auf der dem Messwiderstand 20 abgewandten Oberseite 34 der Leiterplatte 26 angeordnet. Um eine bessere Temperaturanbindung mit dem elektrischen Leiter 14 zu erhalten, ist der Temperatursensor 32 beispielsweise thermisch mit den Kontakten 22, 24 verbunden, wobei keine elektrische Verbindung zu den Kontakten 22, 24 besteht. Aufgrund der großen Entfernung zum elektrischen Leiter 14 kann ein solcher Temperatursensor 32 die Temperatur des elektrischen Leiters nur relativ ungenau und zeitverzögert erfassen.
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Um eine bessere Temperaturerfassung zu erzielen, ist in der in 2 gezeigten Ausführungsform in der Leiterplatte 26 ein von der Oberfläche der Leiterplatte 26, hier der Oberseite 34 der Leiterplatte 26, zurückversetzter Aufnahmeraum 36 vorgesehen, in dem der Temperatursensor 32 angeordnet ist. Wie in der Schnittansicht zu sehen ist, kann der Temperatursensor 32 dadurch wesentlich näher am elektrischen Leiter 14, insbesondere am Messwiderstand 20, positioniert werden, wobei der Temperatursensor 32 zum elektrischen Leiter 14 hin weiterhin durch die Leiterplatte 26 elektrisch isoliert ist.
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Die Messschaltung 28 kann hierbei ebenfalls im Aufnahmeraum 36 angeordnet sein, beispielsweise um die Bauhöhe der Leiterplatte 26 zu reduzieren, oder auf der Oberseite 34 der Leiterplatte 26 angeordnet sein.
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Eine zweite Ausführungsform eines solchen Stromsensors 10 ist in 3 gezeigt. Die Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in 2 gezeigten Ausführungsform. Zusätzlich ist in der Leiterplatte 26 ein wärmeleitendes Bauteil 38 vorgesehen, dass thermisch mit dem Temperatursensor 32 gekoppelt ist. Das Bauteil 38 ist zwischen dem Temperatursensor 32 und dem elektrischen Leiter 14 in der Leiterplatte 26 vorgesehen und erstreckt sich parallel zum elektrischen Leiter 14.
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Wie in 3 zu sehen ist, erstreckt sich das wärmeleitende Bauteil 38 insbesondere zu den Leitungsabschnitten 16, 18, die näher an der Leiterplatte 24 liegen, sodass eine direktere Wärmeübertragung auf das wärmeleitende Bauteil 38 und somit auf den Temperatursensor 32 erfolgen kann.
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Optional kann auch der Luftspalt 40 zwischen der Leiterplatte 26 und dem Messwiderstand 20 mit einem wärmeleitenden Material gefüllt werden, um eine bessere Wärmeübertragung an die Leiterplatte 26 bzw. das wärmeleitende Bauteil 38 und den Temperatursensor 32 zu erhalten.
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Des Weiteren kann der Aufnahmeraum 36 auch so in der Leiterplatte angeordnet sein, dass der Temperatursensor 32 näher an ein am ersten Leitungsabschnitt16 oder am zweiten Leitungsabschnitt18 angeordnet ist, wie beispielsweise in 4 zu sehen ist.
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Insbesondere kann die Position sowie die Größe des Aufnahmeraums 36 an die gewünschte Funktion angepasst werden, sodass beispielsweise auch größere elektrische Bauteile oder Baugruppen im Aufnahmeraum 36 angeordnet werden können. Insbesondere kann der Aufnahmeraum 36 verwendet werden, um durch die Aufnahme von elektrischen Bauteilen oder Baugruppen die Bauhöhe der Leiterplatte 26 und somit des Stromsensors 10 zu reduzieren.
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In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist der Aufnahmeraum zur Unterseite 42, die zum elektrischen Leiter 14 weist, geöffnet, um eine noch bessere Temperaturaufnahme des Temperatursensor 32 zu erhalten. Neben der besseren Temperaturkopplung mit dem elektrischen Leiter 14 kann diese Ausführungsform den Vorteil haben, dass durch die Leiterplatte 26 bzw. die Abschnitte der Leiterplatte 26 zwischen der Oberseite 34 und dem Aufnahmeraum 36 eine elektrische Isolierung zwischen elektrischen Bauteilen, die auf der Oberseite 34 der Leiterplatte 26 angeordnet sind und dem Temperatursensor 32 oder anderen im Aufnahmeraum angeordneten elektrischen Bauteilen gebildet ist. Es werden also zwei Bereiche für elektrische Bauteile oder Baugruppen gebildet, die durch das Material der Leiterplatte zueinander elektrisch isoliert sind. Weitere Maßnahmen zur elektrischen Isolierung können somit nicht erforderlich sein.
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In der in 6 gezeigten Ausführungsform ist der Aufnahmeraum 36 sowohl zu Oberseite 34 wie auch zur Unterseite 42 hin abgeschlossen, sodass im Aufnahmeraum 36 angeordnete elektrischen Bauteile vollständig geschützt und sowohl zu Oberseite 34 wie auch zu Unterseite 42 hin elektrisch isoliert sind. Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise verwendet werden, wenn mehrere Schaltkreise, Messschaltungen 28 oder elektrische Baugruppen auf der Leiterplatte 26 angeordnet werden sollen, wobei diese zueinander elektrisch isoliert sein müssen. Durch das Material der Leiterplatte 26 ist eine ausreichende elektrische Isolierung gewährleistet, ohne dass zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind.
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Insbesondere kann durch die Leiterplatte 26 eine galvanische Trennung der Schaltkreise, Messschaltung und 28 oder anderer elektrischer Baugruppen erreicht werden, sodass einen Spannungsüberschlag zwischen diesen zuverlässig verhindert werden kann.
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Insbesondere können in der Leiterplatte 26 auch mehrere Aufnahmeräume, insbesondere in mehreren Ebenen, vorgesehen sein, in welchen elektrische Bauteile oder elektrische Baugruppen angeordnet sind, wobei diese elektrisch miteinander verbunden oder elektrisch gegeneinander isoliert sein können. Dadurch ist eine wesentlich bessere Ausnutzung der Leiterplatte 26 sowie des vorhandenen Bauraums möglich, sodass die Leiterplatte 26 und somit der Stromsensor 10 kompakter ausgebildet sein kann.
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Insbesondere kann durch die Isolierung der Aufnahmeräume 36 die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Stromsensors verbessert werden. Gleichzeitig können elektrische Bauteile, beispielsweise der Temperatursensor 32, flexibler angeordnet werden, insbesondere so, dass deren Funktionsweise bzw. deren Messung von Batterieparametern verbessert werden kann.
